Los materiales fuertemente correlacionados son una amplia clase de compuestos que incluyen aislantes y materiales electrónicos, y muestran propiedades electrónicas y magnéticas inusuales (a menudo tecnológicamente útiles) , como transiciones metal-aislante , comportamiento de fermiones pesados , semimetalicidad y separación de carga de espín . La característica esencial que define a estos materiales es que el comportamiento de sus electrones o espinones no puede describirse eficazmente en términos de entidades que no interactúan. [1] Los modelos teóricos de la estructura electrónica ( fermiónica ) de materiales fuertemente correlacionados deben incluir correlación electrónica ( fermiónica ) para ser precisos. Desde hace poco, la denominación materiales cuánticos también se utiliza para referirse, entre otros, a materiales fuertemente correlacionados.
Muchos óxidos de metales de transición pertenecen a esta clase [2] , que puede subdividirse según su comportamiento, por ejemplo, materiales de alta Tc , materiales espintrónicos , multiferroicos , aisladores de Mott , materiales de Spin Peierls, materiales de fermiones pesados , materiales de dimensiones cuasi bajas, etc. El efecto más intensamente estudiado es probablemente la superconductividad a alta temperatura en cupratos dopados , por ejemplo, La 2−x Sr x CuO 4 . Otros fenómenos magnéticos o de ordenamiento y transiciones de fase inducidas por la temperatura en muchos óxidos de metales de transición también se agrupan bajo el término "materiales fuertemente correlacionados".
Normalmente, los materiales fuertemente correlacionados tienen capas de electrones d o f incompletamente llenas con bandas de energía estrechas. Ya no se puede considerar ningún electrón del material como si estuviera en un " mar " del movimiento promedio de los demás (también conocida como teoría del campo medio ). Cada electrón tiene una influencia compleja sobre sus vecinos.
El término correlación fuerte se refiere al comportamiento de los electrones en sólidos que no está bien descrito (a menudo ni siquiera de manera cualitativamente correcta) mediante teorías simples de un electrón, como la aproximación de densidad local (LDA) de la teoría de densidad funcional o Hartree. –Teoría del fock . Por ejemplo, el material aparentemente simple NiO tiene una banda 3 d parcialmente llena (el átomo de Ni tiene 8 de 10 posibles electrones 3 d ) y, por lo tanto, se esperaría que fuera un buen conductor. Sin embargo, la fuerte repulsión de Coulomb (un efecto de correlación) entre los electrones d convierte al NiO en un aislante de banda prohibida ancha. Por lo tanto, los materiales fuertemente correlacionados tienen estructuras electrónicas que no son simplemente similares a los electrones libres ni completamente iónicas, sino una mezcla de ambas.
Se han propuesto y desarrollado extensiones del LDA (LDA+U, GGA, SIC, GW , etc.), así como modelos simplificados hamiltonianos (p. ej. , modelos tipo Hubbard ), para describir fenómenos que se deben a una fuerte correlación electrónica. Entre ellos, la teoría dinámica del campo medio (DMFT) captura con éxito las características principales de los materiales correlacionados. Los esquemas que utilizan tanto LDA como DMFT explican muchos resultados experimentales en el campo de los electrones correlacionados.
Experimentalmente, la espectroscopia óptica, las espectroscopias de electrones de alta energía , la fotoemisión resonante y, más recientemente, la dispersión de rayos X resonantes inelásticas (duras y blandas) ( RIXS ) y la espectroscopia de neutrones se han utilizado para estudiar la estructura electrónica y magnética de materiales fuertemente correlacionados. Las firmas espectrales vistas por estas técnicas que no se explican por la densidad de estados de un electrón a menudo están relacionadas con fuertes efectos de correlación. Los espectros obtenidos experimentalmente pueden compararse con las predicciones de ciertos modelos o pueden usarse para establecer restricciones a los conjuntos de parámetros. Por ejemplo, se ha establecido un esquema de clasificación de los óxidos de metales de transición dentro del llamado diagrama de Zaanen-Sawatzky-Allen . [3]
La manipulación y el uso de fenómenos correlacionados tiene aplicaciones como imanes superconductores y tecnologías de almacenamiento magnético (CMR) [ cita necesaria ] . Otros fenómenos como la transición metal-aislante en VO 2 se han explorado como un medio para crear ventanas inteligentes que reduzcan los requisitos de calefacción/refrigeración de una habitación. [4] Además, las transiciones metal-aislante en materiales aislantes de Mott como LaTiO 3 se pueden ajustar mediante ajustes en el relleno de banda para usarse potencialmente para fabricar transistores que usarían configuraciones de transistores de efecto de campo convencionales para aprovechar el cambio brusco en la conductividad del material. [5] Los transistores que utilizan transiciones de aislador metálico en aisladores Mott a menudo se denominan transistores Mott y se han fabricado con éxito utilizando VO 2 antes, pero han requerido campos eléctricos más grandes inducidos por líquidos iónicos como material de puerta para funcionar. [6]
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